黃劍

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司 200092）

引言

預(yù)制拼裝綜合管廊具有提升工程質(zhì)量、改善施工現(xiàn)場環(huán)境、降低施工作業(yè)量、減少工期等優(yōu)點。在建筑工程中預(yù)制裝配施工工藝的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛。到2025年，我國裝配式建筑占新建建筑的比例將達到30%。目前綜合管廊工程建設(shè)領(lǐng)域也正在大力推廣預(yù)制拼裝技術(shù)。預(yù)制拼裝綜合管廊施工工藝主要有整節(jié)段式、節(jié)段拼裝式、裝配整體式等多種類型［1］。對于單艙斷面綜合管廊，整節(jié)段式施工工藝具備較強優(yōu)勢，且技術(shù)較為成熟。通常根據(jù)設(shè)備運輸和吊裝能力，將綜合管廊沿縱向分為2m～3m一節(jié)段，在工廠預(yù)制管段，在施工現(xiàn)場通過卡口或者預(yù)應(yīng)力連接，墊層平整和接頭防水是關(guān)鍵因素。目前預(yù)制拼裝綜合管廊的研究成果多集中于整節(jié)段拼裝方面［2-5］。

本文以上海地區(qū)某單艙綜合管廊工程試驗段為背景，對比分析采用現(xiàn)澆和預(yù)制拼裝建造方式時管廊結(jié)構(gòu)受力、工程量、施工工期和經(jīng)濟性等方面。分析結(jié)果可為今后綜合管廊施工工藝的方案比選提供參考。

1 工程概況

某綜合管廊內(nèi)部容納220kV、110kV、10kV電力電纜，通信電纜和DN600的給水管，為干支混合型綜合管廊。管廊埋設(shè)于道路中央綠化帶以下，頂部覆土厚度為3.1m。內(nèi)部空間尺寸為寬度3.6m，高度4.1m。綜合管廊斷面及內(nèi)部管線布置見圖1。為優(yōu)化結(jié)構(gòu)和施工方案，從結(jié)構(gòu)計算、工程量、工期、經(jīng)濟性等方面對比分析現(xiàn)澆整體和預(yù)制拼裝兩種施工工藝。

圖1 綜合管廊斷面及內(nèi)部管線布置Fig.1 Cross section of UT and layout ofmunicipal pipelines

2 結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 荷載組合

綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面結(jié)構(gòu)計算一般可簡化為平面剛架模型分析，并取單位長度標(biāo)準(zhǔn)斷面計算?？紤]不同工況的荷載組合，得到結(jié)構(gòu)各控制截面最不利內(nèi)力，以此作為結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)。綜合管廊為淺埋地下結(jié)構(gòu)，通常位于道路中央分隔帶或道路兩側(cè)的綠化帶內(nèi)。除了自重gc以外，頂板受到上部覆土荷載ps和汽車荷載pv，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時還會受到水壓力pw；側(cè)壁受到土側(cè)壓力qs和汽車荷載產(chǎn)生的側(cè)壓力qv，還可能受到水壓力qw；底板受到地基土反力pc，還可能受到浮力pb。計算簡圖見圖2。

圖2 計算簡圖Fig.2 Calculation diagram of UT

荷載組合可以分為以下3種工況分別計算：（1）工況1，低水位工況，不考慮地下水的影響，但考慮汽車荷載的影響；（2）工況2，高水位工況，考慮地下水的影響，但不考慮汽車荷載的影響；（3）工況3，高水位工況，同時考慮地下水和汽車荷載的影響。圖3為荷載工況組合示意。

圖3 荷載組合示意Fig.3 Schematic diagram of load combination

2.2 計算要點

1.抗浮穩(wěn)定性驗算

綜合管廊一般埋深較淺，若地下水位較高，將會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生上浮的危險。因此《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》［6］第8.1.9條對抗浮穩(wěn)定提出要求，須滿足抗浮穩(wěn)定性系數(shù)不低于1.05的規(guī)定。若抗浮穩(wěn)定性不滿足要求，可采用增加截面板厚的方式以增加自重，也可采用增加抗浮構(gòu)件（如底板外挑、抗拔樁等）的措施。

2.裂縫計算

綜合管廊長期受到地下水的侵蝕。一方面，結(jié)構(gòu)開裂將直接導(dǎo)致鋼筋受到地下水的電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重將引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞；另一方面，裂縫將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)滲水，嚴(yán)重影響內(nèi)部工作環(huán)境，最終導(dǎo)致管線破壞或無法正常服務(wù)。為此依據(jù)《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》［6］第8.1.7條對裂縫控制提出要求，裂縫控制等級為三級，最大裂縫寬度不大于0.2mm。

3.構(gòu)件承載能力驗算

選取受力較大的構(gòu)件進行極限狀態(tài)承載能力復(fù)核。綜合管廊受到土體的圍壓，頂板、底板和壁板均受到軸力和彎矩作用，但由于截面軸力較小且對抗彎承載能力有所提高，所以按受彎構(gòu)件復(fù)核計算截面承載能力。

3 方案對比

3.1 結(jié)構(gòu)分析

1.結(jié)構(gòu)方案

現(xiàn)澆綜合管廊一般采用C30混凝土澆筑，鋼筋采用熱軋鋼筋HRB400。對于預(yù)制綜合管廊，構(gòu)件在工廠模具化澆筑，并有較好養(yǎng)護條件，可采用高牌號混凝土澆筑，充分發(fā)揮高強材料性能。預(yù)制拼裝綜合管廊選用C50混凝土，鋼筋仍采用熱軋鋼筋HRB400。

現(xiàn)澆方案的綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖4a，預(yù)制綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖4b。預(yù)制綜合管廊采用高強混凝土C50可在一定程度上減小標(biāo)準(zhǔn)斷面構(gòu)件厚度，從而降低混凝土用量。相比于現(xiàn)澆方式，預(yù)制拼裝綜合管廊的頂板和側(cè)壁厚度減小12.5%，底板厚度減小11.1%。

圖4 綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面示意Fig.4 Schematic diagram of UT standard cross section

2.抗浮穩(wěn)定性驗算

通過抗浮穩(wěn)定性驗算，分別獲得現(xiàn)澆和預(yù)制工況下的抗浮穩(wěn)定系數(shù)為1.42和1.22，均滿足大于1.05的要求。但由于預(yù)制綜合管廊比現(xiàn)澆綜合管廊的壁厚減小，預(yù)制綜合管廊自重有所降低，從而抗浮穩(wěn)定系數(shù)比現(xiàn)澆綜合管廊有所減小。但總體來看，預(yù)制管廊仍具有較好的抗浮穩(wěn)定冗余。

3.裂縫計算

根據(jù)圖3所示的工況，對兩種不同施工工藝下管廊結(jié)構(gòu)受力情況進行計算分析。圖5為現(xiàn)澆和預(yù)制管廊彎矩包絡(luò)圖。由圖可見，管廊底板跨中和兩端彎矩較大。

圖5 管廊彎矩包絡(luò)圖（單位：kN·m）Fig.5 Bendingmoment envelope of UT（Unit：kN·m）

根據(jù)正常使用極限狀態(tài)下的裂縫控制計算，以及管廊不同部位計算的最大裂縫寬度，選擇斷面合適的配筋，并滿足構(gòu)件的最小配筋率的構(gòu)造要求［7］。表1和表2分別為現(xiàn)澆和預(yù)制綜合管廊構(gòu)件的配筋和裂縫計算表。對比可見，預(yù)制綜合管廊構(gòu)件控制截面的彎矩值均比現(xiàn)澆綜合管廊的對應(yīng)數(shù)值有所降低。

表1 現(xiàn)澆綜合管廊配筋及裂縫計算Tab.1 Calculations of reinforcement and crack for cast-in-place UT

表2 預(yù)制綜合管廊配筋及裂縫計算Tab.2 Calculations of reinforcement and crack for precast assembled UT

表3 現(xiàn)澆與預(yù)制管廊控制截面受力Tab.3 Bendingmoment of cast-in-place UT and precast assembled UT in dominant cross sections

表3為現(xiàn)澆和預(yù)制綜合管廊控制斷面受力情況對比。由表可見，對于頂板，跨中彎矩降幅約為7%，端部彎矩降幅約為3%；對于底板，跨中彎矩降幅約為9%，端部彎矩降幅約為15%；對于壁板，跨中彎矩降幅約為1%，上端和下端彎矩的降幅分別約為3%和9%。對于頂板和底板，均呈現(xiàn)跨中彎矩降幅大、端部彎矩降幅小的規(guī)律；對于壁板，呈現(xiàn)跨中彎矩降幅小、下端彎矩降幅大的規(guī)律。

經(jīng)驗算，按裂縫控制要求設(shè)計的綜合管廊截面及配筋均符合承載能力極限狀態(tài)計算要求。

3.2 工程量對比

圖6為現(xiàn)澆和預(yù)制綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面的配筋圖。選取每延米綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面對比兩種施工工藝的材料用量。所計算的材料用量不考慮施工過程中的損耗。根據(jù)計算，每延米現(xiàn)澆綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼筋總重為1.096t，每延米預(yù)制綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面鋼筋總重為0.964t。預(yù)制綜合管廊減少鋼筋用量為12%。每延米現(xiàn)澆管廊混凝土用量為7.02m3，每延米預(yù)制管廊混凝土用量為6.09m3。預(yù)制綜合管廊減少混凝土用量13.2%。

3.3 工期對比

參考《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》［6］第8.6.1條規(guī)定，將30m作為現(xiàn)澆管廊標(biāo)準(zhǔn)施工段，并設(shè)置一道30mm寬度的變形縫?？紤]設(shè)備運輸和吊裝條件，預(yù)制拼裝綜合管廊選取縱向管節(jié)長度為2m。以30m的施工段為參考，分析現(xiàn)澆整體和預(yù)制拼裝綜合管廊的工期。

表4中列出了現(xiàn)澆整體和預(yù)制拼裝綜合管廊的主要施工流程?，F(xiàn)澆整體式綜合管廊施工所有步驟均在現(xiàn)場完成，預(yù)制拼裝綜合管廊施工分為構(gòu)件工廠預(yù)制和現(xiàn)場拼裝兩部分。預(yù)制拼裝施工工藝將鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑與養(yǎng)護、構(gòu)件脫模與質(zhì)量驗收等主要內(nèi)容置于工廠完成，對總工期沒有影響。此外，相比于現(xiàn)場施工時由于工人操作水平、天氣情況等不定因素造成的施工質(zhì)量問題，在預(yù)制構(gòu)件廠中鋼筋就位精度、模板安裝精度、混凝土養(yǎng)護條件等方面均得到了充分保證。在現(xiàn)場施工流程中，基坑開挖與支護和墊層施工以及土方回填和基坑支護拆除的環(huán)節(jié)，對于現(xiàn)澆和預(yù)制綜合管廊的工藝和要求均相同，在工期方面無明顯差別。對于現(xiàn)澆綜合管廊，現(xiàn)場綁扎鋼筋、模板支護、混凝土澆筑與養(yǎng)護、模板拆除等環(huán)節(jié)成為工期的主要組成部分。

對比可見，現(xiàn)澆綜合管廊的結(jié)構(gòu)主體施工均在現(xiàn)場完成，占用了大量工期。而預(yù)制拼裝綜合管廊在預(yù)制工廠內(nèi)完成主體結(jié)構(gòu)澆筑，不占用總工期。對于30m的施工段，現(xiàn)澆綜合管廊工期約為48d；預(yù)制拼裝綜合管廊工期約為27d。預(yù)制拼裝綜合管廊比現(xiàn)澆綜合管廊施工工期縮短21d，工期縮短約44%。

表4 現(xiàn)澆和預(yù)制拼裝綜合管廊施工流程Tab.4 Construction process of cast-in-place UT and precast assembled UT

3.4 經(jīng)濟性對比

工程經(jīng)濟性包括直接經(jīng)濟效益和間接經(jīng)濟效益兩類。由于間接經(jīng)濟效益，如工程質(zhì)量、施工現(xiàn)場環(huán)境、節(jié)能減排等因素難以量化，本文僅分析施工工藝所造成直接經(jīng)濟效益，即工程成本的影響。

以30m的標(biāo)準(zhǔn)施工段為參考，分析現(xiàn)澆整體和預(yù)制拼裝綜合管廊的建設(shè)成本。根據(jù)2017年12月上海建設(shè)工程造價信息，現(xiàn)澆和預(yù)制綜合管廊結(jié)構(gòu)成本分別如表5和表6所示。由表可見，現(xiàn)澆和預(yù)制綜合管廊結(jié)構(gòu)成本較為接近，每延米現(xiàn)澆綜合管廊結(jié)構(gòu)成本為16628.8元，每延米現(xiàn)澆綜合管廊結(jié)構(gòu)成本為15951.45元。采用預(yù)制工藝可降低成本約4%。對于30m的標(biāo)準(zhǔn)施工段，預(yù)制拼裝綜合管廊可節(jié)約結(jié)構(gòu)成本20320.5元。

兩種施工工藝的土方工程費用近似相等。基坑支護采用拉森鋼板樁，并采用鋼支撐支護。初期施工費用兩者相等。而對于30m的標(biāo)準(zhǔn)施工段，現(xiàn)澆綜合管廊工期約為48d，預(yù)制拼裝綜合管廊工期約為27d，鋼板樁和支撐的租賃費用約為40元／m／d，采用預(yù)制工藝可降低基坑支護結(jié)構(gòu)租賃費用約44%。因此，對于標(biāo)準(zhǔn)施工段，采用預(yù)制拼裝施工工藝可節(jié)約鋼板樁和支撐租賃費用約33600元。

表5 現(xiàn)澆綜合管廊結(jié)構(gòu)成本（每延米）Tab.5 Material cost of cast-in-place UT permeter

表6 預(yù)制拼裝綜合管廊結(jié)構(gòu)成本（每延米）Tab.6 Material cost of precast assembled UT permeter

表7 30m施工段單艙綜合管廊土建成本對比Tab.7 Comparison of construction cost between cast-in-place UT and precast assembled UT for 30m s length

4 結(jié)論

以某單艙綜合管廊工程項目為背景，從結(jié)構(gòu)計算、工程量、工期、經(jīng)濟性等方面對比分析現(xiàn)澆整體和預(yù)制拼裝兩種施工工藝。主要結(jié)論如下：

1.由于具備良好的構(gòu)件制作和養(yǎng)護條件，預(yù)制拼裝綜合管廊可采用較高牌號混凝土，在保證承載能力的前提下，預(yù)制管廊比現(xiàn)澆管廊可降低壁厚10%以上。

2.在不同工況下，預(yù)制管廊的局部最大彎矩均有所降低。對于頂板和底板，均呈現(xiàn)跨中彎矩降幅大、端部彎矩降幅小的規(guī)律；對于壁板，呈現(xiàn)跨中彎矩降幅小、下端彎矩降幅大的規(guī)律?？刂平孛鎻澗刈畲蠼捣_到15%。

3.相同長度的綜合管廊，預(yù)制拼裝施工工藝可減少鋼筋用量為12%，減少混凝土用量為13.2%。

4.以30m施工段為參考，相比于現(xiàn)澆方式，預(yù)制拼裝綜合管廊可降低工期44%。

5.在經(jīng)濟效益方面，除了工程質(zhì)量、施工現(xiàn)場環(huán)境、節(jié)能減排等間接經(jīng)濟效益外，預(yù)制拼裝綜合管廊的主體結(jié)構(gòu)成本降低約4%，基坑開挖與支護成本降低約44%，土建總成本降低約9%。

［1］黃劍.預(yù)制拼裝綜合管廊研究和建設(shè)進展［J］.特種結(jié)構(gòu)，2018，35（1）：1-11 Huang Jian.Research and construction progressof precast assembled utility tunnel［J］.Special Structures，2018，35（1）：1-11

［2］胡翔，薛偉辰，王恒棟.上海世博園區(qū)預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊接頭防水性能試驗研究［J］.特種結(jié)構(gòu)，2009，26（1）：109-113 Hu Xiang，XueWeichen，Wang Hengdong.Experimental studies on water proof properties of PPMT joints in Shanghai Expo Area［J］.Special Structures，2009，26（1）：109-113

［3］胡翔，薛偉辰，王恒棟，等.上海世博園區(qū)預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊施工監(jiān)測與分析［J］.特種結(jié)構(gòu)，2009，26（2）：105-108 Hu Xiang，Xue Weichen，Wang Hengdong，et al.Construction monitoring and analysis of PPMT in Shanghai Expo Area［J］.Special Structures，2009，26（2）：105-108

［4］薛偉辰，王恒棟，胡翔.上海世博園區(qū)預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊的經(jīng)濟性分析［J］.特種結(jié)構(gòu)，2009，26（2）：101-104 XueWeichen，Wang Hengdong，Hu Xiang.Economic analysis of PPMT in Shanghai Expo Area［J］.Special Structures，2009，26（2）：101-104

［5］胡翔，薛偉辰.預(yù)制預(yù)應(yīng)力綜合管廊受力性能試驗研究［J］.土木工程學(xué)報，2010，43（5）：29-37 Hu Xiang，Xue Weichen.Experimental study of mechanical properties of PPMT［J］.China Civil Engineering Journal，2010，43（5）：29-37

［6］GB 50838-2015城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2015 GB 50838-2015 Technical code for urban utility tunnel engineering［S］.Beijing：China Planning Press，2015

［7］GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（2015年版）［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015 GB 50010-2010 Code for design of concrete structures（2015 edition）［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2015